微型计算机原理

1微型计算机原理及其应用微型计算机原理及其应用第一章：概述第一章：概述合肥工业大学计算机与信息学院合肥工业大学计算机与信息学院2第一章：概述第一章：概述1. 微机原理课程的内容、学习目的微机原理课程的内容、学习目的2. 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况3. 微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能4. 微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况3第一章：概述第一章：概述1. 微机原理课程的内容、学习目的微机原理课程的内容、学习目的2. 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况3. 微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能4. 微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况4第一章：概述第一章：概述微机原理的课程内容、学习目的微机原理的课程内容、学习目的 微机原理课程学习内容微机原理课程学习内容是一门研究微型计算机的基本工作原理以及微型计算机接口技术（如中断控是一门研究微型计算机的基本工作原理以及微型计算机接口技术（如中断控制接口、定时制接口、定时/ /计数控制接口、计数控制接口、DMADMA控制接口、并行控制接口、并行/ /串行通信接口、模拟接串行通信接口、模拟接口等）的课程。口等）的课程。冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构1. 能把需要的程序和数据送至计算机中。能把需要的程序和数据送至计算机中。 （输入）（输入）2. 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。算结果的能力。 （存储）（存储）3. 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。工处理的能力。 （运算）（运算）4. 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。器的各部件协调操作。 （控制）（控制）5. 能够按照要求将处理结果输出给用户。（输出）能够按照要求将处理结果输出给用户。（输出） 简单地讲，微型计算机系统的工作过程是简单地讲，微型计算机系统的工作过程是取指令取指令(代码代码)分析指令分析指令(译码译码)执行指令执行指令的不断循环的过程。的不断循环的过程。5第一章：概述第一章：概述微机原理的课程内容、学习目的微机原理的课程内容、学习目的 计算机的五大基本组成部件计算机的五大基本组成部件 运算器、控制器、存储器、输入运算器、控制器、存储器、输入/ /输出设备（接口）输出设备（接口） 微机原理课程学习目的微机原理课程学习目的通过该课程的学习，应能通过该课程的学习，应能掌握微型计算机系统的硬件基本知识及应用掌握微型计算机系统的硬件基本知识及应用实验技能，具有一定的微机应用系统的系统分析能力，并且也为后继实验技能，具有一定的微机应用系统的系统分析能力，并且也为后继课程的学习，打下微型机系统硬件方面的基础知识。课程的学习，打下微型机系统硬件方面的基础知识。6第一章：概述第一章：概述1. 微机原理课程的内容、学习目的微机原理课程的内容、学习目的2. 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况3. 微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能4. 微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况7第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 计算机的发展计算机的发展 电子管计算机电子管计算机晶体管计算机晶体管计算机集成电路计算机集成电路计算机大规模大规模集成电路计算机集成电路计算机人工智能计算机（尚在研制）人工智能计算机（尚在研制）19461946年第一代电子计算机（年第一代电子计算机（ENIACENIAC）在美国研制成功。使用了）在美国研制成功。使用了1880018800个电子管，重个电子管，重3030吨，占地吨，占地150150平方米，耗电平方米，耗电150150千瓦，每秒完成千瓦，每秒完成50005000次次加法运算。加法运算。8第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 计算机的发展计算机的发展19581958年第二代晶体管计算机推出，用晶体管代替了电子管，大大降低年第二代晶体管计算机推出，用晶体管代替了电子管，大大降低了计算机的成本和体积，运算速度成百倍提高。了计算机的成本和体积，运算速度成百倍提高。9第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 计算机的发展计算机的发展19651965年中小规模集成电路为主体的计算机问世，使计算机的体积进一年中小规模集成电路为主体的计算机问世，使计算机的体积进一步缩小，配上各类操作系统，计算机性能极大提高。步缩小，配上各类操作系统，计算机性能极大提高。10第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 计算机的发展计算机的发展19701970年大规模集成电路（年大规模集成电路（LSILSI）研制成功，计算机发展到第四代，微）研制成功，计算机发展到第四代，微型计算机是第四代计算机的典型代表。型计算机是第四代计算机的典型代表。19711971年在美国硅谷第一块通用微处理器年在美国硅谷第一块通用微处理器Intel4004Intel4004诞生，从而开创了诞生，从而开创了微型计算机的新时代。微型计算机的新时代。11第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 计算机的发展计算机的发展 计算机发展的四个方向：巨、微、网、智计算机发展的四个方向：巨、微、网、智12第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 微处理器的发展微处理器的发展1971.11，Intel公司第一枚微处理器芯片公司第一枚微处理器芯片4004，4位机，它总共集成了位机，它总共集成了2200个晶体管。个晶体管。1972年年4月，月，Intel公司宣布另一种型号的微处理器公司宣布另一种型号的微处理器8008研制成功。研制成功。 8位位机。机。 1975年年1月，月，Motorola公司宣布推出它的公司宣布推出它的8位微处理器位微处理器6800。 1979年，年，Intel公司推出了公司推出了Intel 8086/8088微处理器。微处理器。 1983年，年，Intel公司推出了公司推出了Intel 80286微处理器，它是完全微处理器，它是完全16位微处理位微处理器器 。1985年，年，Intel公司推出了公司推出了Intel 80386微处理器。微处理器。 1989年，年，Intel公司推出了公司推出了Intel 80486微处理器。微处理器。1993年年3月，月，Intel公司推出了名为公司推出了名为Pentium（经典奔腾）的微处理（经典奔腾）的微处理 。1995年年11月月Intel公司又推出了公司又推出了Pentium Pro（高能奔腾）。（高能奔腾）。1997年年1月，月，Intel公司又推出了公司又推出了Pentium MMX（多能奔腾）。（多能奔腾）。1997年年5月，月，Intel公司推出了公司推出了Pentium（奔腾二代）（奔腾二代） 1999年年2月，月，Intel公司推出了公司推出了Pentium （奔腾三代）（奔腾三代） 2000年年11月，月，Intel公司推出了公司推出了Pentium4（奔腾四代）。（奔腾四代）。2001年年5月，月，Intel公司推出了公司推出了64位微处理器位微处理器Itanium。 13第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 微处理器的发展微处理器的发展Intel 4004Intel 8008Motorola 6800Intel 8086Intel 80286Intel 80386Intel 80486Intel PentiumIntel Pentium IIIntel Pentium IIIIntel Pentium IV14第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况第一代1971年1973年第二代1974年1977年第三代1978年1980年第四代1980年以后典型的微处理器芯片Intel4004Intel4040Intel8008Intel8080M6800Z-80Intel8086/8088M68000Intel80X86M68020Z-80000字长（位）4/881616/32集成度（晶体管数/芯片）10002000500090002000070000100000时钟频率（MHZ）0.50.81451010数据总线宽度（位）4/881616/32地址总线宽度（位）48820242432存储容量16KB实存64KB实存1MB实存4GB实存和64GB虚存指令执行时间（s）10151210.125软件水平机器语言汇编语言汇编语言高级语言操作系统汇编语言高级语言操作系统汇编语言高级语言部分软件硬化15第一章：概述第一章：概述微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况 摩尔定律摩尔定律 歌登歌登.摩尔（摩尔（Gordon Moore）是）是Intel公司奠基者之一，他在公司奠基者之一，他在1964年提出一个摩尔定率，摩尔定律说年提出一个摩尔定率，摩尔定律说每每18个月半导体集成电路里面个月半导体集成电路里面晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔晶体管的个数会翻一倍，也就是集成度提升一倍，每隔18个月其性能会个月其性能会提升一倍。提升一倍。这个非常著名的摩尔定率，从这个非常著名的摩尔定率，从1964年提出以来（尽管当时计年提出以来（尽管当时计算机集成电路芯片还没有出现），到算机集成电路芯片还没有出现），到1971年年Intel公司首次做出第一块公司首次做出第一块CPU 4004芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，芯片，再到现在，发展了大概三十多年。可以发现，CPU一一直是遵循摩尔定理在发展的，后来到直是遵循摩尔定理在发展的，后来到1995年歌登年歌登摩尔对摩尔定理稍微修摩尔对摩尔定理稍微修改了一下，原来是每一年半（改了一下，原来是每一年半（18个月）后来改成两年，也就是说每两年个月）后来改成两年，也就是说每两年芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。芯片的集成度会提升一倍，特性提升一倍，但价格不变。 对对Intel而言，而言，IA-64是其下是其下个个1015年的架构。新的年的架构。新的IA-64将使将使Intel摆脱摆脱x86架构的限制，从而设计出超越所有现有架构的限制，从而设计出超越所有现有RISC CPU和和x86CPU的新型处理器。的新型处理器。IA-64处理器，具有处理器，具有64位寻址能力和位寻址能力和64位宽的位宽的寄存器，所以被称为寄存器，所以被称为64位位CPU。 16第一章：概述第一章：概述1. 微机原理课程的内容、学习目的微机原理课程的内容、学习目的2. 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况3. 微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能4. 微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况17第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 微型计算机系统的构成微型计算机系统的构成18第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 微型计算机系统的构成微型计算机系统的构成主机箱主机箱19第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 微处理器及其组成微处理器及其组成微处理器（微处理机）：由一片或几片大规模集成电路组成的中央处微处理器（微处理机）：由一片或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称理器，一般也称CPU（Center Process Unit）。其内部通常包括）。其内部通常包括算术逻辑部件，累加器和通用寄存器组，程序计数器，时序和控制逻算术逻辑部件，累加器和通用寄存器组，程序计数器，时序和控制逻辑部件，内部总线等等。辑部件，内部总线等等。20第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 各种各种CPU21第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 微型计算机及其组成微型计算机及其组成微型计算机：是指由微型计算机：是指由CPU、存储器、输入输出接口电路和系统总线构成的裸、存储器、输入输出接口电路和系统总线构成的裸机。机。内部存贮器，按照读写方式的不同，分为内部存贮器，按照读写方式的不同，分为ROM和和RAM两种类型；两种类型；输入输入/输出接口电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路，在两者之间输出接口电路是外围设备与微型计算机之间的连接电路，在两者之间进行信息交换的过程中，起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用；进行信息交换的过程中，起暂存、缓冲、类型变换及时序匹配的作用；总线是总线是CPU与其它各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不与其它各功能部件之间进行信息传输的通道，按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线同类型，总线可以分为数据总线DB、地址总线、地址总线AB和控制总线和控制总线CB三种类型。三种类型。22第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 各种存储设备各种存储设备23第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 各种接口卡各种接口卡24第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 主板主板25第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 主板主板主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有主板是机箱中最大的一块集成电路板，在它上面集成有CPU插座、内存插座、插座、内存插座、扩展卡插座、输入输出系统、总线系统、电源接口等。主板是一个母体，其扩展卡插座、输入输出系统、总线系统、电源接口等。主板是一个母体，其他的部件或直接插接在主板上，或通过电缆电线连接在主机板上。他的部件或直接插接在主板上，或通过电缆电线连接在主机板上。总线：总线：是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线，接在系统中的不是连接多个功能部件或多个装置的一组公共信号线，接在系统中的不同位置。按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线同位置。按所传送信息的不同类型，总线可以分为数据总线DB(Data Bus)、地址总线地址总线AB(Address Bus)和控制总线和控制总线CB(Control Bus)三种类型，通常三种类型，通常称微型计算机采用三总线结构。称微型计算机采用三总线结构。地址总线地址总线(AB) ：是用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了是用来传送地址信息的信号线。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间的大小。地址总是从可以直接寻址的内存空间的大小。地址总是从CPU发出的，所以地址总发出的，所以地址总线是单向的三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、线是单向的三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。数据总线数据总线(DB)：数据总线是数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线。数据总线是用来传送数据信息的信号线。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其它部件，也可以从其它部件传送送到其它部件，也可以从其它部件传送给给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。，数据总线的位数和处理器的位数相对应。控制总线控制总线(CB)：控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂，由它来实现复杂，由它来实现CPU对外部功能部件（包括存储器和对外部功能部件（包括存储器和I/O接口）的控制及接口）的控制及接收外部传送给接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。控的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。控制总线有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号制总线有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。线。26第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能 微型计算机系统及其组成微型计算机系统及其组成微型计算机系统：是指以微型计算机为主体，再配以相应的外围设备、微型计算机系统：是指以微型计算机为主体，再配以相应的外围设备、电源、辅助电路和所需要的软件而构成的计算机系统。电源、辅助电路和所需要的软件而构成的计算机系统。常用的外围设常用的外围设备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、备有显示器、打印机、键盘等；系统软件一般包括操作系统、编译、编辑、汇编软件等。编辑、汇编软件等。 微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者关系27第一章：概述第一章：概述微型计算机系统的基本组成微型计算机系统的基本组成 单片机及其组成单片机及其组成单片机：是指将单片机：是指将CPU、内存储器、内存储器、I/O接口电路等功能部件集成在一接口电路等功能部件集成在一块芯片上的计算机。块芯片上的计算机。 单板机及其组成单板机及其组成单板机：是指将单板机：是指将CPU、内存储器和、内存储器和I/O接口电路，加上相应的外设以接口电路，加上相应的外设以及监控程序等安装在一块电路板上所构成的计算机系统。及监控程序等安装在一块电路板上所构成的计算机系统。注意注意微型计算机、微型计算机系统、单片机和单板机都是以微处理微型计算机、微型计算机系统、单片机和单板机都是以微处理器为基础，加上相应的硬件和软件组装而成的。要注意，单纯的微处器为基础，加上相应的硬件和软件组装而成的。要注意，单纯的微处理器不是计算机，单纯的微型计算机也不是完整的计算机系统，它们理器不是计算机，单纯的微型计算机也不是完整的计算机系统，它们都不能独立地工作，只有微型计算机系统才是完整的计算机系统，才都不能独立地工作，只有微型计算机系统才是完整的计算机系统，才有实用意义。有实用意义。28第一章：概述第一章：概述1. 微机原理课程的内容、学习目的微机原理课程的内容、学习目的2. 微型计算机的发展概况微型计算机的发展概况3. 微型计算机系统的基本组成和各部件功能微型计算机系统的基本组成和各部件功能4. 微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况29第一章：概述第一章：概述微型计算机的应用概况微型计算机的应用概况科学计算：科学计算：科学研究和工程计术计算领域，是计算机应用最早的领域，科学研究和工程计术计算领域，是计算机应用最早的领域，也是应用得较广泛的领域。也是应用得较广泛的领域。实时控制：实时控制：计算机在工业测量和控制方面的应用已十分成熟和广泛，计算机在工业测量和控制方面的应用已十分成熟和广泛，应用于工业、农业、科学技术、国防以至我们日常生活等各个领域。应用于工业、农业、科学技术、国防以至我们日常生活等各个领域。信息处理：信息处理：信息处理又称为数据处理，是指计算机用于处理生产、经信息处理又称为数据处理，是指计算机用于处理生产、经济活动、社会和科学研究中获得的大量信息。计算机发展初期，仅仅济活动、社会和科学研究中获得的大量信息。计算机发展初期，仅仅用于数值计算。后来应用范围逐渐发展到非数值计算领域，可用来处用于数值计算。后来应用范围逐渐发展到非数值计算领域，可用来处理文字、表格、图象、声音等各类问题。理文字、表格、图象、声音等各类问题。计算机辅助技术：计算机辅助技术：计算机辅助技术包含计算机辅助设计计算机辅助技术包含计算机辅助设计(CAD)、计算、计算机辅助制造机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助教学、计算机辅助教学(CAI)等。等。办公自动化：办公自动化：办公自动化系统，它是以支持办公自动化为目的的一个办公自动化系统，它是以支持办公自动化为目的的一个信息系统，如日程管理、电子邮政、电子会议、文档管理、统计报表信息系统，如日程管理、电子邮政、电子会议、文档管理、统计报表等，并能辅助管理和决策。等，并能辅助管理和决策。家用电器：家用电器：目前不仅使用各种类型的个人计算机，而且将单片机广泛目前不仅使用各种类型的个人计算机，而且将单片机广泛应用于微波炉、磁带录音机、自动洗涤机、煤气用定时器应用于微波炉、磁带录音机、自动洗涤机、煤气用定时器,家用空调家用空调设备控制器、电子式缝纫机、电子玩具、游戏机等。设备控制器、电子式缝纫机、电子玩具、游戏机等。人工智能：人工智能：人工智能的研究课题是多种多样的人工智能的研究课题是多种多样的,诸如计算机学习、计诸如计算机学习、计算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、机器人等等。算机证明、景物分析、模拟人的思维过程、机器人等等。30第一章：概述第一章：概述本章要点本章要点1. 微处理器、微型计算机，要求达到微处理器、微型计算机，要求达到“识记识记”层次。层次。 微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义。微处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义。 微处理器的发展特点。微处理器的发展特点。 单片机和单板机的组成和特点。单片机和单板机的组成和特点。 个人计算机的组成和特点。个人计算机的组成和特点。 2. 微型计算机系统的总线结构。微型计算机系统的总线结构。 微处理器结构，要求达到微处理器结构，要求达到“识记识记”层次。层次。 微型计算机的基本结构，要求达到微型计算机的基本结构，要求达到“领会领会”层次。层次。 用三类总线构成的微机系统，要求达到用三类总线构成的微机系统，要求达到“识记识记”层次。层次。